本发明专利技术属于自动化工程技术领域，涉及一种多胶囊式医疗微型机器人的磁驱动控制装置及方法。其特征是通过调整机器人外表面螺旋肋与柔弹性管壁的间隙实现运动的控制，通过机器人旋转磁场转速与径向膨胀间隙的关系，将多个机器人设计成具有不同的启动转速，通过两磁极圆环产生旋转磁场，在不同的启动转速段区间驱动，来实现多胶囊式体内微机器人游动速度的调整和相对定位控制。本发明专利技术的效果和益处是机器人的可靠性和实用性好，运动性能优良，驱动效率高，管径适用范围大，控制简便易行。适用于柔弹性管壁环境，在同一磁场条件下，以不同的启动转速段进行驱动，可以实现对多个机器人的运动与定位的操作。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于自动化工程
，涉及一种通过同一外旋转磁场条件下， 在充满大粘度液体的封闭柔弹性管道内，实现多个胶囊式医疗微型机器人驱动 控制的基本方法。技术背景磁控无缆驱动微机器人更接近于自然状态，在人体内作业时具有可靠性、 安全高等特点。以人体柔弹性组织内的体液为媒介，它可到达体内的深处部位。 因此游动微型机器人为体内介入治疗提供了一种重要的作业形式，在医学工程 领域具有广阔的应用前景。医疗微型机器人的作业环境是体内的肠道、泌尿系统、血管等，其环境特 点是周围由柔弹性组织封闭、内部充有体液的狭小空间。为了不对柔弹性软组 织造成创伤，要求微机器人以无电缆驱动方式，通过游动可靠的进入和退出体 内深处，并采用简单、易于微型化的结构，以实现体内在线医疗作业。为了满足体内柔弹性壁无创伤要求，日本K.Ikeuchi等人首先提出利用液 体动压膜作为动力媒介的非接触无损伤体内驱动医用微机器人，它由圆柱体、 螺旋肋以及提供大扭矩的微型马达构成。当微马达驱动螺旋肋在有粘液的腔道 内旋转时，螺旋肋处的流体产生动压效应，并在管壁表面形成动压保护膜，当 肋一端的液体动压力超另一端的液体动压力时，便产生轴向推力，实现非接触 无损伤驱动。实验表明当机器人与管壁的间隙较小时，且滑动速度较高时，最大的推进力可达到1N。其缺点是拖带电缆，电机悬在管内，驱动力矩不能平 衡，当圆柱体螺旋肋与管壁的间隙太大时，液体动压薄膜会发生破裂，推进力 骤减。螺旋表面柔顺性差，其结构尚不能适应复杂环境内的作业。国内浙江大 学也成功研制了类似的体内医用微型机器人，结构上巧妙地采用中间电机带动 两端的螺旋肋旋向相反的圆柱部高速旋转，使体液在两个圆柱部和弹性壁之间 产生动压效应，形成同向推力，对油膜的厚度与轴向推力的关系也进行了研究， 也存在机器人与管壁间隙对轴向推力的影响问题，其结构尚不能自适应调整螺 旋肋与管壁的间隙，因此柔弹性壁复杂环境内的适应能力尚需进一歩提高，机 器人还存在能量供给问题。由于螺旋行进机器人的驱动原理简单，因此可靠性 与安全性更好，实用前景广阔。事实证明采用磁场控制的无缆驱动方式是提高微型机器人实用性和可靠性 的关键，因此磁控微型机器人迅速成为国际上的研究热点。为了实现无缆式外磁场驱动控制，日本K. Ishiyama等人提出了利用三轴亥姆霍兹线圈提供空间旋 转磁场，作用于胶囊内嵌钕铁硼磁体，在胶囊表面螺纹作用下旋进。但通电线 圈产生旋转磁场存在驱动频率与磁场强度间的矛盾，高频驱动时，能量损耗大， 发热严重，磁场衰减大，会因驱动力矩不足而导致胶囊机器人的截止驱动频率 减小，旋进速度降低，甚至使机器人发生堵转而不能行走，影响体内作业的安全 性与可靠性。其本体刚性结构也存在径向间隙不能补偿的问题，还不能适应复 杂柔弹性壁环境内的驱动行走。综上所述，通过径向间隙补偿是提高胶囊式医疗微型机器人在柔弹性管壁 环境内驱动行走的有效途径，目前，在同一旋转磁场条件下，通过径向间隙补 偿，实现多胶囊式医疗微型机器人的驱动控制的研究还未见报道。体内微型机 器人群体操作的介入医疗概念具有重要实际应用价值，如将每个机器人设计成具有不词的医疗目的，能明显减小机器人的体积，提高安全性与可靠性，患者 可以同时吞下具有不同医疗目的的多个胶囊微型机器人，在同一磁场下实现其 群体协调操作，将显著提高体内的医疗效率，提高安全性与实用性，应用前景 广阔。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种在充满大粘度液体介质的柔弹性管壁 环境内和在同一外旋转磁场驱动条件下，对多个胶囊式医疗微型机器人实施驱 动控制的操作装置和方法，实现多胶囊式医疗微型机器人的在同一旋转磁场驱 动下的控制。本专利技术的技术方案是-将一块外表面缠绕有多头螺旋肋的配重铜环沿圆周方向分割成若干部分,形成多块带有螺旋肋的配重铜瓦，解除圆周方向的约束；将径向磁化的圆柱状 钕铁硼磁体内驱动器作为机器人的中心轴与机器人前端头固定；分别将与配重 铜瓦数目相同的平行四边形机构的机架沿与机器人轴线垂直的圆周方向等分 的固定在机器人的钕铁硼磁体内驱动器上，再将与平行四边形机构的机架平行 的连杆分别固定在若干块带有螺旋肋的配重铜瓦内凹面上，再将配重铜瓦的一 端分别通过连杆铰接在机器人的后活动端头上，于是各个平行四边形机构与分 别铰接在机器人的后活动端头上的连杆一起构成了离心同步径向伸展机构，它 由六杆机构构成；将薄膜乳胶橡胶囊套在若干配重铜瓦组成的外圆柱表面上， 并将薄膜乳胶橡胶囊的两个端口分别与机器人的前端头和后移动端头部密封， 通过前端头的气门注入少量气体，薄膜乳胶胶囊增加了机器人表面的柔顺性， 对人体软组织起到进一步的保护作用，螺旋肋也可以撑开薄膜乳胶胶囊凸起， 不影响其产生推力，也可以防止流体动压力的泄漏。机器人本体配重铜瓦与径向离心同步伸展机构的安装结构分为二种 第一种结构方案是机器人外表面配重铜瓦连同螺旋肋沿圆周方向均匀分割四等分，解除圆周方向约束，分别由四个沿圆周方向均匀分布径向离心同步伸展机构支撑。第二种结构方案是机器人外表面配重铜瓦连同螺旋肋沿圆周方向均匀分割 三等分，解除圆周方向约束，分别由三个沿圆周方向均匀分布径向离心同步伸 展机构4支撑。以上两种结构是采用两种不同的技术方案来解除螺旋肋在圆周方向的约 束，以便机器人外表面在径向能够自由膨胀，减小与管壁的间隙。在外旋转磁场与内驱动器的耦合作用下，对机器人施加旋转力矩，离心同 步径向伸展机构在配重铜瓦离心力的作用下，推动螺旋肋沿径向同步伸展，并 拉动机器人后活动端部縮短，推动胶囊表面沿径向扩充和膨胀，即能将肠道等 柔弹性管壁撑开，又能推动螺旋结构胶囊表面与复杂凸凹柔弹性管壁自适应接 触，在其自定心膨胀作用能有效地消除机器人胶囊表面与柔弹性管壁的间隙， 减小动压薄膜的厚度，显著提高机器人的轴向推力。通过调整外磁场的旋转速 度控制胶囊表面与柔弹性管壁的接触程度，进而实现体内胶囊式机器人在复杂 弹性壁环境内推力与速度的调整与控制。机器人旋转停止时，乳胶胶囊靠其弹 性能拉动离心同步径向伸展机构返程。机器人按一定转速转动时，离心同步径向伸展机构在配重铜瓦离心力的作 用下，克服乳胶薄膜囊弹性力，推动螺旋肋沿径向同步伸展。在某一转速下， 在一定粘度液体中，当机器人外表面与管内壁的间隙达到临界间隙时，机器人 开始运动，该转速称为启动转速，转速小于启动转速时称为机器人的截止转速， 以截止转速驱动时的运动特征是机器人只在管内空转，不能实现行走。根据机器人径向膨胀量与转速的关系，通过改变薄膜橡胶囊壁厚或使用不 同弹性模量的材质制造，也可以通过调整配重铜瓦的质量来实现。将各机器人 设计成具有不同的启动转速，以各启动转速进行驱动调整，可实现多胶囊机器 人的协调驱动控制。本专利技术的效果和益处是通过管道外部旋转磁场实现微型机器人在柔弹性封闭管道内的双向游动 控制，无电缆驱动方式提高了机器人的可靠性和实用性。通过改变旋转磁场转 速来改变机器人外表面与管道的间隙，进而实现对机器人移动速度的控制，改 变旋转磁场的方向，即可改变机器人的移动方向，实现简便易行。由于间隙是 影响机器人行走的主要因素，因此在一定范围内减小间隙，可以显著提高机器 人的运动性能与驱动效率。由于机器人可通过本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多胶囊式医疗微型机器人的磁驱动控制装置，其特征在于：将一块外表面缠绕有多头螺旋肋的配重铜环沿圆周方向分割成若干部分，形成多块带有螺旋肋的配重铜瓦；将径向磁化的圆柱状钕铁硼磁体内驱动器作为机器人的中心轴与机器人前端头固定；分别将与 配重铜瓦数目相同的平行四边形机构的机架沿与机器人轴线垂直的圆周方向等分的固定在机器人的钕铁硼磁体内驱动器上，再将与平行四边形机构的机架平行的连杆分别固定在若干块带有螺旋肋的配重铜瓦内凹面上，再将配重铜瓦的一端分别通过连杆铰接在机器人的后活动端头上，各个平行四边形机构与分别铰接在机器人的后活动端头上的连杆一起构成了离心同步径向伸展机构，它由六杆机构构成；将薄膜乳胶橡胶囊套在若干配重铜瓦组成的外圆柱表面上，并将薄膜乳胶橡胶囊的两个端口分别与机器人的前端头和后移动端头部密封，通过前端头的气门注入少量气体。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张永顺，王殿龙，杨振强，郭东明，贾振元，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]
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